基于ZigBee的智能樓宇遠程控制設計

衛(wèi)珊 徐文超 吳宏昊 史安榮

?

基于ZigBee的智能樓宇遠程控制設計

衛(wèi)珊 徐文超 吳宏昊 史安榮

天津商業(yè)大學信息工程學院，天津 300134

將 ZigBee 技術應用于智能樓宇系統(tǒng)之中，通過ZigBee無線網絡、Wi-Fi網絡和手機遠程控制端，實時遠距離管理設備，為用戶提供安全舒適、高效便利的樓宇環(huán)境。系統(tǒng)采用STC89C52為主控芯片，設計并實現了協調器和終端節(jié)點的硬件部分，通過溫濕度、光照、煙霧等傳感器模塊進行樓宇信息采集及環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測，并將數據顯示在客戶端，采用繼電器控制直流無刷電機使溫度保持在設定范圍內；若煙霧數據異常，繼電器控制啟動報警裝置。用戶可隨時隨地在手機遠程控制端或PC機客戶端上調節(jié)燈光、溫度的狀態(tài)。經測試，本系統(tǒng)實現了對溫濕度、光、煙霧等的遠程信息采集和控制，系統(tǒng)的各個模塊工作穩(wěn)定，抗干擾能力強，終端節(jié)點功耗低，達到了預期的目標。

ZigBee；STC89C52；CC2530；無線傳感網絡；物聯網

引言

隨著建筑技術和信息技術的迅猛發(fā)展，新型的建筑類型——智能樓宇產生。智能樓宇以建筑為平臺，將通信、自動控制、計算機網絡以及在此基礎上的系統(tǒng)集成和服務管理進行優(yōu)化組合，形成安全、高效、舒適、便利、節(jié)能的建筑環(huán)境。智能樓宇系統(tǒng)由很多傳感器組建而成。與有線傳感器網絡相比，無線傳感網絡具有部署方便、靈活性高、維護成本低等優(yōu)勢，特別是近幾年新興的ZigBee技術，以距離短、速率低、復雜度低、功耗低、網絡容量大及成本低的特點得到廣泛應用[1]，為樓宇遠程控制系統(tǒng)的設計提供了有力支持。本文設計了基于ZigBee技術的智能樓宇遠程控制系統(tǒng)系統(tǒng)，可應用于居住小區(qū)、辦公樓、商場等地方。

1 系統(tǒng)設計

1.1 設計要求

（1）樓宇內部溫度、濕度可控，始終維持在設定范圍。

（2）在手機/PC終端可實時查詢樓宇內部設備工作狀態(tài)或遠程啟停控制設備。

（3）具有防火報警功能，通過設置煙霧傳感器，當信號值高于閾值時啟動樓宇內部報警器發(fā)出警報。

1.2 總體設計

本系統(tǒng)運用物聯網由下到上的感知層、傳輸層和應用層的典型應用體系架構，采用星型拓撲結構，基于ZigBee技術構建了ZigBee無線傳感器網絡，主要包括ZigBee協調器、ZigBee終端節(jié)點、系統(tǒng)控制核心、手機遠程控制器。終端采集節(jié)點實時采集整個樓宇內環(huán)境信息，包括溫濕度、光照和煙霧濃度等，然后通過ZigBee無線網絡傳給MCU，由MCU分析判斷是否這些指標存在異常，以便及時做出相應處理。如果存在異常，就會自動向用戶控制終端發(fā)送報警信號，報警器自動報警。用戶可以通過ZigBee無線傳感器網絡直接在PC機上對樓宇環(huán)境進行實時監(jiān)測和控制，也可以通過ZigBee無線傳感器網絡、Wi-Fi網絡在手機遠程控制器上實時查看和控制樓宇內設備狀態(tài)。系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 硬件電路設計

采用STC89C52作為系統(tǒng)控制核心，CC2530作為組建ZigBee無線傳感網絡的核心模塊。ZigBee協調器通過CC2530射頻模塊實現與終端節(jié)點的無線通信，并通過Wi-Fi模塊實現與外部網絡的通信。將ZigBee終端節(jié)點分為終端采集節(jié)點和終端控制節(jié)點兩類，分別設置傳感器模塊和終端控制模塊，如圖2所示。

圖2 硬件電路設計框圖

2.1 傳感器模塊

傳感器模塊主要包括煙霧傳感器、溫濕度傳感器、光照傳感器、A/D轉換芯片ADC0832以及電源供電電路。

2.1.1煙霧傳感器

采用MQ-2型電阻式半導體傳感器采集煙霧信號，將檢測的煙霧濃度轉換為微弱的電壓信號[2]，再經ADC0832將模擬信號轉換為數字信號，最后送入單片機與閾值濃度進行比較。若高于閾值，單片機就會發(fā)送報警命令送入蜂鳴器，蜂鳴器發(fā)出響聲進行報警。

2.1.2 溫濕度傳感器

采用DHT11作為溫濕度傳感器。DHT11是一款有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并且與一個高性能8位單片機相連接[3]，具有響應快、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。它有四個引腳，DATA引腳采用單總線，采集到的數據通過串行方式傳送到外設上。因此設計電路時不需要外加其他元器件，DHT11就可以串行通信方式將采集到的溫濕度信息傳送到ZigBee協調器。

2.1.3 光照傳感器

采用一個光敏電阻和一個電壓比較器LM393。光線充足時，光敏電阻阻值很小，輸出端為低電平；光線變暗時，光敏電阻阻值很大，輸出端為高電平。采集到的光照信息經ZigBee協調器傳到PC機或通過系統(tǒng)控制中心最終傳到手機控制終端。

2.2 終端控制模塊

負責接收ZigBee協調器傳輸的指令并據此執(zhí)行相應的動作。它主要包括繼電器、直流無刷電機、報警器三部分。報警器采用一個蜂鳴器。

2.2.1 繼電器

采用一個電磁繼電器，其主要作用是當單片機輸出動作信號時銜鐵片和觸頭相接觸電路接通，無動作信號時電路斷開，達到電路開關目的。電磁繼電器包括下列組件：感應線圈、鐵芯、銜鐵片、觸頭等。當感應線圈兩端加上電壓時，電流流過并在其附近產生磁場，銜鐵片受磁力吸引向下，帶動銜鐵片的動觸頭與靜觸頭相接合；當感應線圈斷電時，其磁性消失致使銜鐵片的磁力消失，銜鐵片在彈簧的反作用力返回到原來位置，銜鐵片動觸頭與靜觸頭自然分開[4]。

2.2.2 直流無刷電機

直流無刷電機系統(tǒng)由直流電源、驅動電路、控制電路、電動機本體和位置傳感器幾部分構成，由單片機STC89C52通過PWM脈寬調制控制直流電機的速度。其控制原理是先由溫度傳感器模塊檢測環(huán)境溫度，然后由單片機對室溫進行判斷，當室溫低于設定溫度的下限時，電機不工作，表明室內無需降溫；當室溫高于設定溫度的上限時，驅動電機則以最快速度運行；當室溫介于兩者之間時，電機的轉速逐漸增加然后維持恒定轉速；當室溫降到下限值時，電機停止運行，表明此次降溫過程完成。

2.3 ZigBee協調器

協調器負責ZigBee無線傳感器網絡的創(chuàng)建和管理以及無線數據傳輸。該模塊采用TI公司的CC2530為核心控制芯片，通過CC2530射頻模塊與終端設備節(jié)點進行無線通信，通過RS232串口電路與系統(tǒng)控制核心進行通信。

CC2530是針對IEEE?802.15.4、ZigBee、推出的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，它融合了增強型8051MCU和RF收發(fā)器，具有較高的無線接收靈敏度和抗干擾性，具有5通道DMA控制器、4個定時器和一個睡眠定時器、8通道12位ADC、AES協處理器、2個支持多種串行通信的USART、21個通用I/O引腳，采用2～3.6?V電池供電，提供了5種電源模式，具有低功耗和高性能[5]。

2.4 STC89C52

系統(tǒng)控制中心MCU采用ATMEL公司的STC89C52。片內具有6個中斷源、全雙工串行UART通道、4K字節(jié)的在線編程Flash存儲器，擦寫周期1000次，具有掉電狀態(tài)下的中斷恢復功能，對設計開發(fā)非常實用[6]。

3 軟件設計

采用軟件開發(fā)工具IAR Embedded Workbench for 8051及TI公司的Z-Stack 協議棧，完成應用程序的編寫和調試。軟件設計主要包括ZigBee協調器、終端節(jié)點、手機客戶端三部分。

3.1 ZigBee協調器

協調器負責ZigBee無線傳感網絡的創(chuàng)建、維護以及接收傳輸數據。當終端節(jié)點加入網絡后，由協調器對給加入網絡的設備分配一個唯一的網絡地址。該終端節(jié)點會接收MCU發(fā)送的控制命令，并依據此命令采集、上傳相應的數據。ZigBee協調器的程序流程圖如圖3所示。

3.2 終端節(jié)點

終端節(jié)點的功能是加入ZigBee無線傳感網絡、實時采集并上報節(jié)點信息、接收控制命令并執(zhí)行。本次設計主要從節(jié)點接收控制命令方面進行設計，利用串口控制協議對無線通信進行控制，完成數據傳遞、參數訪問等。

（1）控制命令的幀格式

控制命令從遠程控制端通過協調器到達終端節(jié)點，需要統(tǒng)一的數據幀格式，實現正確的數據傳遞和控制命令解析。本系統(tǒng)采用32位幀結構，通信幀格式

圖3 ZigBee協調器流程圖

如表1所示。命令頭用于表示不同的命令類型，命令類型如表2所示。

表1 通信幀格式

字節(jié)1字節(jié)2～4字節(jié)4～12字節(jié)12～14字節(jié)14～30字節(jié)31字節(jié)32 幀頭命令頭物理地址網絡地址數據緩沖區(qū)校驗區(qū)幀尾

表2 命令類型

節(jié)點加入網絡4A 4F 4E 報警器控制53 42 4A 溫濕度控制53 4D 53 光照控制57 42 4C 煙霧53 43 4C

（2）對控制命令的無線傳感網絡接收

當終端節(jié)點接收到數據后，將該數據封裝成一個消息，每個消息都有自己的消息ID，然后放入消息隊列中[7]，再接收和處理新數據，過程如下：首先從消息隊列中接收一個消息，然后根據消息ID對消息類型進行判斷，如果是新消息，則進行根據數據幀的格式進行相應的數據處理。

3.3 手機客戶端設計

采用Java語言搭建Android 4開發(fā)環(huán)境，首先是界面設計，包括IP輸入、Port輸入、連接按鈕、接受信息文本框、輸入框、發(fā)送按鈕，然后為對應控件添加相應功能。

4 系統(tǒng)測試及結果分析

4.1 組網測試

ZigBee無線傳感器網絡是系統(tǒng)的基礎。只有樓宇內部網絡組網正常、數據傳輸正確，才能進一步測試系統(tǒng)其他功能。

組網程序的測試過程如下：

（1）下載組網程序

本次測試包括一個協調器和五個終端節(jié)點。將Coordinator.hex和End Device 1-5.hex分別下載到ZigBee協調器和終端節(jié)點。

（2）設備硬件連接

將協調器和終端節(jié)點的外圍電路接好，將協調器通過串口RS-232與PC機相連，使用5?V適合電源給協調器供電，然后打開串口調試助手，確保終端節(jié)點的跳線設置為工作模式，分別打開電源開關。

（3）發(fā)送和接收數據

使用串口助手發(fā)送查詢命令測試，給協調器發(fā)送一個命令頭為54 43 4B的32位數據，如果協調器回送一個數據緩沖區(qū)的前兩位為4F 4B的32位數據，則表示協調器開啟且工作正常。終端節(jié)點上電后，會自動發(fā)送給協調器一個命令頭為4A 4F 4E的32位數據，表示該終端節(jié)點成功加入ZigBee無線傳感網絡[7]。

4.2 系統(tǒng)整體測試

在系統(tǒng)整體測試中，將終端節(jié)點分別接上電源，協調器通過串口連接到PC機，也可經SPI與MCU連接，再經過Wi-Fi模塊最終連接到Internet網。

依據各個節(jié)點的狀態(tài)，對系統(tǒng)進行整體測試。測試過程如下。

（1）先給協調器上電，再打開上位機程序，由于使用的USB轉串口，程序自動識別串口。此時協調器D3常亮，表明協調器工作正常。

（2）給各個終端節(jié)點上電，此時D1閃爍，終端節(jié)點加入ZigBee無線傳感網絡成功后，D3常亮。按下終端S1按鍵開始上傳數據，如需停止上傳再按一下S1按鍵。

（3）登錄客戶端，輸入密碼和服務器IP地址，通過權限認證并連接到ZigBee無線傳感網絡。

（4）開啟無線路由器，手機打開Wi-Fi并連接好后，先點網絡設置，輸入PC機 IP 地址后點連接，手機顯示連接成功后，會自動刷新數據。

（5）添加所需監(jiān)測的樓宇設備，添加完畢后，設備列表內出現所有終端節(jié)點的設備名稱。

（6）添加設備選擇功能后，終端節(jié)點執(zhí)行相應的動作。

（7）打開報警器，當測試氣體濃度高于閾值600?ppm時，客戶端出現報警提示信息。關閉報警器后，無提示信息。

（8）手機或PC機上設定溫、濕度范圍分別為18～25?℃、30%～60%，實際測試中溫、濕度均保持在該范圍內。

通過以上測試，表明本設計實現了對溫濕度、光照、煙霧等的遠程信息采集和控制。系統(tǒng)的各個模塊工作穩(wěn)定、功耗低，實現了預期的目標。

5 結束語

本文設計的智能樓宇遠程監(jiān)控系統(tǒng)，用戶可通過PC機客戶端監(jiān)控樓宇設備信息，也可通過移動控制終端遠程控制。通過ZigBee無線傳感網絡傳輸，同時解決了有線傳感器網絡布線復雜和排查困難等問題；通過Wi-Fi解決了ZigBee無線傳感網絡傳輸距離局限性問題，將ZigBee無線傳感網絡和互聯網連接在一起，實現了移動監(jiān)控終端實時查詢樓宇內部設備工作狀態(tài)或遠程啟?？刂圃O備。此外，樓宇內部溫、濕度智能自動調整，通過監(jiān)測異常數據并發(fā)送到終端用戶手機實現防火報警功能。經測試，系統(tǒng)各模塊工作穩(wěn)定，方便靈活，可廣泛應用，具有良好的市場價值。

[1]付玉志. 基于ZigBee技術的智慧農業(yè)實時采集和遠程控制系統(tǒng)[D]. 杭州：浙江大學，2015.

[2]張群強，趙巧妮. 基于MQ-2型傳感器火災報警系統(tǒng)的設計[J]. 價值工程，2015，34（13）：96-98.

[3]王志宏，白翠珍. 基于DHT11的實驗室多點溫濕度報警系統(tǒng)設計[J]. 山西電子技術，2011（4）：45-46.

[4]李書婷，韓國富，吳小林，等. 基于STC89C52單片機的教室燈控制系統(tǒng)設計與實現[J]. 自動化與儀器儀表，2017（1）：52-54.

[5]TI.CC2530 Datasheet[Z]. http：//www.ti.com.cn/ prod uct/cn/cc2530.

[6]程文紅. 基于STC89C52天然氣氣體泄露報警器的設計[D]. 大慶：東北石油大學，2014.

[7]朱佳鴿. 基于物聯網的智能家居系統(tǒng)的設計與實現[D]. 西安：長安大學，2013.

Design of Remote Control of Intelligent Building Based on ZigBee

Wei Shan Xu Wenchao Wu Honghao Shi Anrong

School of Information Engineering, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134

In the paper, ZigBee technology is applied to the intelligent building system, through the ZigBee wireless network, Wi-Fi network and mobile phone remote control terminal to manage equipment in real time and remotely, the building environment which is safe and comfortable, efficient and convenient is provided to users. The STC89C52 as the main control chip is used in the building system, and the hardware parts of the coordinator and the terminal node can be designed and implemented. The data of building information and monitoring the environment state which is displayed on the client terminal are to be collected by sensor modules, such as temperature, humidity, light, and smog. In the system, a relay is used to control the brushless DC motor to keep the temperature within the set range and control starting alarm device if the smog data is abnormal. The user can adjust the state of light and temperature on mobile phone remote control terminal or PC client terminal at any time and place. In the test, the system has realized remote information collection and control of temperature, humidity, light and smog. It can achieve the desired goal that all modules of the system work stably with strong anti-interference ability and low power consumption of the terminal node.

ZigBee; STC89C52; CC2530; Wireless Sensor Network; Internet of Things

TU855

A